A Pennsylvaniai Egyetem Fogorvosi Karának és a Georgia Institute of Technology kutatói transzlációs megközelítéssel három dimenzióban képezték le a fogszuvasodást okozó baktériumokat természetes környezetükben, a fogszuvasodással érintett kisgyermekek fogain kialakult, foglepedékként ismert ragadós biofilmben.

A Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban közzétett munka megállapította, hogy a Streptococcus mutans, a fogszuvasodásért felelős egyik fő baktériumfaj más baktériumok és polimerek többrétegű védőközösségébe burkolózik, amely a betegség kialakulásának helyével összefüggő egyedi térbeli szerveződést alkot.

“Ezekkel a klinikai mintákkal kezdtük, súlyos fogszuvasodásban szenvedő gyermekek kivont fogaival” – mondja Hyun (Michel) Koo, a Penn Dental Medicine munkatársa, a munka társszerzője. “информиáltak minket arról, hogy a baktériumok hogyan szerveződnek, és vajon sajátos felépítésük elárulhat-e valamit az általuk okozott betegségről?”

A kérdés megválaszolásához a kutatók, köztük a Penn Dental Medicine vezető szerzője, Dongyeop Kim és a Georgia Tech társszerzője, Marvin Whiteley, szuperfelbontású konfokális és pásztázó elektronmikroszkópia kombinációját használták számítógépes elemzéssel, hogy feltárják az S. mutans és más mikrobák elrendeződését a fogakon lévő intakt biofilmben. Ezek a technikák lehetővé tették, hogy a csapat rétegről rétegre vizsgálja a biofilmet, háromdimenziós képet kapva a sajátos architektúrákról.

Ezt a megközelítést, a baktériumok helyének és mintázatának megértését Whiteley más betegségek esetében is folytatta.

“Világos, hogy az emberi mikrobiom összetevőinek azonosítása nem elegendő ahhoz, hogy megértsük az emberi egészségre gyakorolt hatásukat” – mondja Whiteley. “Azt is tudnunk kell, hogyan szerveződnek térben. Ez nagyrészt még nem eléggé tanulmányozott, mivel a térbeli struktúrát megőrző, ép minták beszerzése nehéz.”

A mostani munkában a kutatók felfedezték, hogy a S. mutans a foglepedékben leggyakrabban egy bizonyos módon jelent meg: a fog felszínével szemben halomba rendeződve. De nem volt egyedül. Míg az S. mutans alkotta a gömbölyded struktúra belső magját, addig más komensális baktériumok, például az S. oralis, további külső rétegeket képeztek, amelyek pontosan korona-szerű struktúrába rendeződtek. Ezeket a rétegeket az S. mutans által termelt cukrokból álló extracelluláris váz támogatta és választotta el egymástól, amely hatékonyan beburkolta és védte a betegséget okozó baktériumokat.

“Megtaláltuk ezt a rendkívül rendezett közösséget, amelynek közepén sűrűn felhalmozódott az S. mutans, körülvéve a különböző baktériumok “glóriáival”, és azon tűnődtünk, hogyan okozhat ez fogszuvasodást” – mondja Koo. “

Azért, hogy többet tudjunk meg arról, hogy a szerkezet hogyan befolyásolja a biofilm működését, a kutatócsoport megkísérelte a természetes lepedékképződést rekonstruálni egy fogszerű felületen a laboratóriumban S. mutans, S. oralis és cukoroldat segítségével. Sikeresen növesztettek forgó alakú struktúrát, majd megmérték a hozzájuk kapcsolódó sav- és demineralizációs szinteket.

“Amit felfedeztünk, és ami számunkra izgalmas volt, az az, hogy a forgó alakú területek tökéletesen megfeleltek a zománcfelszínen lévő demineralizált és magas savszinteknek” – mondja Koo. “Ez tükrözi azt, amit a klinikusok látnak, amikor fogszuvasodást találnak: a dekalcifikáció pontozott területeit, amelyeket “fehér foltoknak” neveznek. A kupolaszerű szerkezet magyarázatot adhat arra, hogyan indulnak el a szuvasodások.”

Egy utolsó kísérletsorozatban a csapat próbára tette a rotund közösséget, antimikrobiális kezelést alkalmaztak, és megfigyelték, hogyan boldogultak a baktériumok. Amikor a rotund struktúrák épek voltak, a belső magban lévő S. mutans nagyrészt elkerülte az antimikrobiális kezelés okozta pusztulást. Csak a külső rétegeket összetartó állványanyag megbontása tette lehetővé, hogy az antimikrobiális szer behatoljon és hatékonyan elpusztítsa az üreget okozó baktériumokat.

A tanulmány eredményei segíthetnek a kutatóknak abban, hogy hatékonyabban célozzák meg a fogászati biofilmek patogén magját, de más területekre is hatással lehetnek.

“Ez azt mutatja, hogy a mikrobiom térbeli szerkezete közvetítheti a működést és a betegség kimenetelét, ami alkalmazható lehet más, polimikrobiális fertőzésekkel foglalkozó orvosi területeken is” – mondja Koo.

“Nem csak az, hogy milyen kórokozók vannak ott, hanem az is, hogy milyen a szerkezetük, ami az általuk okozott betegségről árulkodik” – teszi hozzá Whiteley. “A baktériumok rendkívül társas lények, és vannak barátaik és ellenségeik, amelyek diktálják a viselkedésüket.”

A mikrobiális biogeográfia területe még fiatal, mondják a kutatók, de ennek a demonstrációnak a kiterjesztése, amely összekapcsolja a közösség szerkezetét a betegségek kialakulásával, hatalmas lehetőségeket nyit meg a jövőbeli, orvosilag releváns felismerések előtt.

Dongyeop Kim a Penn School of Dental Medicine Fogorvosi Kar Fogszabályozási Tanszékének tudományos munkatársa volt, jelenleg a Jeonbuk Nemzeti Egyetem (Korea) adjunktusa.

Hyun (Michel) Koo a Penn School of Dental Medicine Fogszabályozási Kar Fogszabályozási Tanszékének professzora a közösségi szájegészségügy és a gyermekfogászat részlegén.

Marvin Whiteley a biológiai tudományok professzora, a Georgia Tech Bennie H. és Nelson D. Abell tanszéke a molekuláris és sejtbiológiában, valamint a Georgia Research Alliance Eminent Scholar társigazgatója a Georgia Institute of Technology Emory-Children’s CF Centerben.

Koo, Kim és Whiteley társszerzői a Penn Dental Medicine Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci és Evlambia Hajishengallis; a Georgia Tech munkatársa Juan P. Barraza; valamint az Indiana University munkatársai Anderson Hara és Karl Lewis.

A munkát részben a National Institute for Dental and Craniofacial Research (DE025220, DE018023, DE020100 és DE023193) támogatta.